CN0108 利用內(nèi)置PGA的20位Σ-Δ型ADC AD7781實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計

CN0108 注意：本文的噪聲規(guī)格相對于PGA增益為128而言。 AD7781是一款低噪聲、低功耗ADC，適合電子秤設(shè)計。其它合適的ADC有AD7798和AD7780。AD7780與AD7781的功能組合相同，但前者為24位ADC。AD7798的輸出數(shù)據(jù)速率選擇范圍更寬。在4.17 Hz時，其均方根噪聲為40 nV。 AD7799適用于中端電子秤。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.17 Hz時，其均方根噪聲為27 nV。 AD7190、AD7192和AD7191適用于精密電子秤設(shè)計。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率設(shè)置為4.7 Hz時，AD7190的均方根噪聲為8.5 nV。它也具有較寬的輸出數(shù)據(jù)速率范圍。它的工作速率最高可達(dá)4.8 kHz，同時仍能保持良好的性能。AD7192與AD7190引腳兼容，但前者的均方根噪聲略高。當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為4.7 Hz時，AD7192的均方根噪聲為11 nV。AD7191是一款引腳可編程器件，具有四種輸出數(shù)據(jù)速率和四種增益設(shè)置。由于它具有引腳可編程能力，并且功能較少，因此易于使用。AD7191的均方根噪聲與AD7192相同。 與其它高精度電路一樣，必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)。欲了解更多信息，請參考教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的謎團(tuán)”，以及教程MT-101——“去耦技術(shù)”。 有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計支持文件包，請訪問以下網(wǎng)址：http://www.analog.com/CN0108-DesignSupport. 除外部稱重傳感器和PC外，圖1所示電路均包含在AD7780評估板(EVAL-AD7781EBZ)上。 與評估板的接口通過標(biāo)準(zhǔn)USB連接器J1進(jìn)行。J1用于將評估板連接到PC的USB端口。AD7781評估板附帶標(biāo)準(zhǔn)USB連接器線纜，通過該線纜可將評估板與PC的USB端口連接起來。評估板通過USB連接器供電，因此無需外部電源，但使用外部電源更好。外部電源可通過J2連接。 設(shè)備要求 除外部稱重傳感器外，只需要EVAL-AD7781EBZ評估板和運(yùn)行Windows 2000、Windows XP或Windows Vista（32位）的PC。本電路筆記所示結(jié)果是采用Tedea Huntleigh 505H-0002-F070稱重傳感器獲得的。該稱重傳感器未附帶評估板，客戶須向制造商購買。 開始使用 EVAL-AD7781EBZ評估板附帶一片CD，其中的軟件可安裝在標(biāo)準(zhǔn)PC上，用來控制AD7781。軟件通過評估板附送的USB線纜與AD7781通信。利用該軟件，用戶可以從AD7781讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可從AD7781讀取并顯示出來，或加以存儲以供日后分析。 請先使用AD7781評估板附送的CD安裝AD7781評估板軟件，再將評估板連接到PC。詳情參見用戶指南UG-079。 功能框圖 本電路筆記的圖1所示為測試設(shè)置的基本功能框圖。 設(shè)置與測試 關(guān)于AD7781評估板設(shè)置和測試的完整說明，請參閱用戶指南UG-079。 安裝軟件之后，按照UG-079的表1所示設(shè)置適當(dāng)?shù)逆溌罚ㄌ€），配置AD7781評估板以使用外部稱重傳感器。務(wù)必先設(shè)置鏈路，再給評估板通電。 稱重傳感器連接到評估板接頭J4。電子秤演示的操作參見UG-079。 AD7781提供一種集成式電子秤解決方案，可以直接與稱重傳感器接口。只需在模擬輸入端用一些濾波器，在基準(zhǔn)電壓引腳上配置一些電容等外部元件，便可滿足電磁屏蔽(EMC)要求。來自稱重傳感器的低電平信號由AD7781的內(nèi)置PGA放大。該P(yáng)GA經(jīng)過編程，以128的增益工作。AD7781的轉(zhuǎn)換結(jié)果通過USB接口送至PC，由PC將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換為重量。 圖2所示為實(shí)際的測試設(shè)置。為實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能，該測試設(shè)置使用一個6線式稱重傳感器。除激勵、接地和2個輸出連接外，6線式稱重傳感器還有2個檢測引腳。這些檢測引腳分別與惠斯登電橋的高端和低端相連。因此，盡管線路電阻會引起壓降，但仍能精確測量該電橋上產(chǎn)生的電壓。此外，AD7781具有一路差分模擬輸入，接受差分基準(zhǔn)電壓。稱重傳感器差分SENSE線路與AD7781基準(zhǔn)電壓輸入端相連，可構(gòu)成一個比率式配置，不受電源激勵電壓的低頻變化影響。 圖2. 采用AD7781的電子秤系統(tǒng) ? 如果采用4線式稱重傳感器，則不存在檢測引腳，ADC基準(zhǔn)電壓引腳將與激勵電壓和地相連。這種配置中，由于存在線路電阻，激勵電壓與SENSE+之間將有壓降，因此系統(tǒng)不是完全比率式。另外，低端上也會有線路電阻引起的壓降。 AD7781具有單獨(dú)的模擬電源引腳和數(shù)字電源引腳。模擬電源和數(shù)字電源彼此獨(dú)立，因此AVDD和DVDD可以處于不同的電位。微控制器采用3.3 V電源。因此，DVDD也采用3.3 V電源供電。這樣就無需外部電平轉(zhuǎn)換，從而可以簡化ADC與微控制器之間的接口。3.3 V數(shù)字電源可利用ADP3303(3.3 V)穩(wěn)壓器產(chǎn)生。 有多種方法可以為該電子秤系統(tǒng)供電，例如：利用主電源總線，或者利用ADP3303(3.3 V)。用5 V電壓激勵電子秤時，必須使用主電源總線。用3.3 V電壓激勵稱重傳感器時，可以使用主電源總線或ADP3303(3.3 V)。ADP3303(3.3 V)是一款低噪聲穩(wěn)壓器。此外，按照ADP3303(3.3 V)數(shù)據(jù)手冊的建議，在穩(wěn)壓器輸出端配有降噪電容。為優(yōu)化電磁屏蔽，穩(wěn)壓器輸出先經(jīng)過濾波，然后再給AD7781和稱重傳感器供電。由于電源或接地層上的任何噪聲都會給系統(tǒng)帶來噪聲，導(dǎo)致電路性能降低，因此必須用低噪聲穩(wěn)壓器產(chǎn)生供給AD7781和稱重傳感器的電源。 如果使用靈敏度為2 mV/V的2 kg稱重傳感器，則激勵電壓為5 V時，來自稱重傳感器的滿量程信號為10 mV。稱重傳感器具有相關(guān)失調(diào)電壓或TARE。此TARE的幅度最高可達(dá)稱重傳感器滿量程輸出信號的50%。稱重傳感器還有最高可達(dá)滿量程±20%的增益誤差。一些客戶利用DAC來消除或抵消TARE。如果AD7781采用5 V基準(zhǔn)電壓，則增益設(shè)置為128時，其模擬輸入范圍等于±40 mV。相對于稱重傳感器的滿量程信號(10 mV)而言，AD7781的模擬輸入范圍較寬，這有利于確保稱重傳感器的失調(diào)電壓和增益誤差不會使ADC前端過載。 當(dāng)輸出數(shù)據(jù)速率為10 Hz時，AD7781（C級）的均方根噪聲為49 nV。采樣數(shù)等于 其中系數(shù)6.6用來將均方根電壓轉(zhuǎn)換為峰峰值電壓。以克(g)為單位表示的分辨率等于 無噪聲分辨率等于 在實(shí)際操作中，稱重傳感器本身會引入一定的噪聲。AD7781的漂移也會導(dǎo)致稱重傳感器發(fā)生一定的時間和溫度漂移。為確定完整系統(tǒng)的精度，可以將該電子秤通過USB連接器與PC相連，然后利用LabView軟件評估電子秤系統(tǒng)的性能。圖3顯示將1 kg重物置于稱重傳感器上，并收集500次轉(zhuǎn)換結(jié)果所測得的輸出性能（使用5 V激勵電壓）。軟件計算的系統(tǒng)噪聲為50 nV（均方根值），相當(dāng)于30,300無噪聲采樣數(shù)或14.9位無噪聲碼分辨率。 圖3. 500次采樣所測得的輸出碼，體現(xiàn)出噪聲的影響 ? 圖4顯示重量方面的性能。相對于500個碼，輸出的峰峰值變化量為0.075克。因此，該電子秤系統(tǒng)的精度達(dá)到0.075克。 圖4. 500次采樣所測得的輸出（單位為千克），體現(xiàn)出噪聲的影響 ? 上圖所示為連接稱重傳感器之后，從AD7781回讀得到的實(shí)際（原始）轉(zhuǎn)換結(jié)果。在實(shí)際操作中，電子秤系統(tǒng)會采用數(shù)字后置濾波器。在后置濾波器中另外執(zhí)行均值計算會進(jìn)一步提高無噪聲采樣數(shù)，但數(shù)據(jù)速率會降低。 CN0108 利用內(nèi)置PGA的20位Σ-Δ型ADC AD7781實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計 本電路為采用 AD7781構(gòu)建的電子秤系統(tǒng)。AD7781是一款引腳可編程、低功耗、低漂移20位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置PGA，采用內(nèi)部時鐘。該器件將大多數(shù)系統(tǒng)構(gòu)建模塊置于芯片內(nèi)，因此能夠簡化電子秤設(shè)計。該器件的典型功耗僅為330 μA，適合所有低功耗或電池供電應(yīng)用。AD7781還提供省電模式，不執(zhí)行轉(zhuǎn)換時，用戶可以切斷對橋式傳感器的供電，并使該器件進(jìn)入省電模式，從而延長電池使用時間。 圖1. 采用AD7781的電子秤系統(tǒng)（原理示意圖：未顯示所有連接） ? CN0108 本電路為采用 AD7781構(gòu)建的電子秤系統(tǒng)。AD7781是一款引腳可編程、低功耗、低漂移20位Σ-Δ轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置PGA，采用內(nèi)部時鐘。該器件將大多數(shù)系統(tǒng)構(gòu)建模塊置于芯片內(nèi)，因此能夠簡化電子秤設(shè)計。該 CN0108 | circuit note and reference circuit info 利用內(nèi)置PGA的20位Σ-Δ型ADC AD7781實(shí)現(xiàn)電子秤設(shè)計 | Analog Devices

• 20位電子秤應(yīng)用電路
• 集成PGA可用于多種電子秤
• 低功耗、低成本
• 通常用于便攜式電子秤應(yīng)用

(analog)